04.03.2017

Первые шаги земной жизни

Исследование пород возрастом не менее 3,77 миллиарда лет привело к находке трубкообразных структур, похожих на те, что образуют микроорганизмы, живущие у океанических гидротермальных источниках. Образцы их более чем на 300 миллионов лет старше самых древних признаков жизни на Земле, известных ранее, - окаменевших микробных матов, которые возникают на морских отмелях. Находка активизировала споры о том, где же возникла земная жизнь: у глубинных термальных источников или же в хорошо прогреваемых водах у берегов. Впрочем, многие ученые не спешат соглашаться с тем, что найденные образцы имеют биологическое происхождение.

Находки были сделаны в железосодержащих породах пояса Нуввуагиттук, на побережье Гудзонова залива, примерно в сорока километрах от города Инукджуак, канадской провинции Квебек. Это одно из немногих мест на Земле, где для исследования доступны горные породы возрастом более 3 миллиардов лет (сама планета возникла около 4,55 миллиарда лет назад).

Точная датировка пород Нуввуагиттука остается предметом дискуссии. В начале 2000-х годов цирконы из Нуввуагиттука были датированы уран-свинцовым методом и был вычислен возраст до 3,75 миллиардов лет. Циркон был найден в гранитных магматических интрузиях внутри породы, которые, естественно, должны быть моложе основного массива. Так что максимальный возраст остался неопределенным. В 2012 году исследователи использовали самарий-неодимовое датирование и получили возраст в 4,321 миллиарда лет, что позволяет назвать массив Нуввуагиттука старейшей горной породой на Земле. Однако в том же году дальнейшие исследования цирконов из кварц-биотитовых сланцев дали результат не более 3,78 миллиарда. Авторы второго исследования считают, что дата в 4,321 миллиарда лет отражает распределение изотопов неодима, унаследованное из катархейской породы, которая была расплавлена при образовании родительских пород Нуввуагиттука. Но даже самая осторожная оценка возраста делает следы жизни в этих породах одним из самых древних.

Что же обнаружили там ученые? Они нашли небольшие, длиной не более нескольких миллиметров, трубочки и нити из гематита (Fe₂O₃). Трубочки иногда разветвляются. И структура, и химический состав этих образований очень похожи на более молодые породы, найденные в различных местах Скандинавии, Австралии и районе Великих Озер. Все они оказываются продуктами деятельности окисляющих железа бактерий, живших у донных геотермальных источников. Руководитель исследования геохимик Доминик Патино (Dominic Papineau) из Университетского колледжа Лондона говорит, что сначала оценивал скептически возможность биогенного происхождения этих гематитовых трубочек, но в течение года его аспирант Мэтью Додд (Matthew Dodd) собрал убедительные доказательства этого.

Также исследователи обнаружили миниатюрные «розетки» в виде концентрических колец, содержащие углерод, кальций и фосфор. Еще были найдены маленькие круглые гранулы графита. Подобные элементы и ранее находили в породах этого возраста, но являются ли они биогенными, пока неясно. Их источником могли стать и небиологические химические реакции. Патино, Додд и их коллеги склоняются к тому, что розетки и гранулы тоже представляют собой следы деятельности микроорганизмов. По словам Патино, доказательством этому служит присутствие в розетках апатита. Графитовые гранулы, по мнению ученого, могут быть результатом сложной химической реакции, опосредованной бактериями. Статья с анализом находки опубликована недавно в журнале Nature.

Открытие трубчатых структур в породах Нуввуагиттука стало новым этапом в споре двух концепций зарождения земной жизни. Согласно одной из них, она возникла в неглубоких морских лагунах. И по сей день в подобных местах, а также у берегов соленых озер встречаются бактериальные маты – «коврики» из цианобактерий толщиной от нескольких миллиметров до пары сантиметров. Каждый такой коврик – сложно устроенная экосистема, в верхних слоях которой обитают аэробные микроорганизмы, часть которых способна к фотосинтезу, а в самом низу живут анаэробы, потребляющие готовую органику. В итоге деятельности этого сообщества образуется минеральный осадок из карбоната кальция, который нарастает примерно на треть миллиметра в год. В геологии такие образования известны под названием строматолиты.

О находке рекордных по древности строматолитов ученые сообщили в начале сентября 2016 года. Их обнаружили в геологической формации Исуа на юго-западе Гренландии, возраст находки 3,7 миллиарда лет. Предыдущий рекорд принадлежит древним строматолитам из формации Стрелли-Пул, которая находится на северо-западе Австралии в окрестностях города Марбл-Бар, их возраст 3,4 миллиарда лет.

Другим местом, где могла бы появиться жизнь, оказываются гидротермальные источники на дне океанов. Они выбрасывают столбы горячей (до 400°C) воды, которая остается жидкой из-за большого давления. Из-за примеси сульфидов железа, никеля, меди и других металлов вода окрашена в черный цвет (поэтому гидротермальные источники получили название «черные курильщики»). Также эта вода богата сероводородом, калием и магнием. При охлаждении этой воды во время встречи с холодной водой океана сульфиды выпадают в виде минеральных осадков вокруг источника.

Биолог Михаил Никитин в книге «Происхождение жизни. От туманности до клетки» перечисляет несколько свойств черных курильщиков, помимо роль источника тепловой энергии, делающих их возможным место возникновения жизни:

«Во-первых, минеральные осадки в них [черных курильщиках] образуются из частиц микронного (0,001 мм) размера и пронизаны громадным количеством пор. Эти поры по размеру соответствуют бактериальным клеткам и образуют сложный лабиринт, в котором могут в относительной изоляции размножаться разные доклеточные формы жизни. Во-вторых, сульфидные минералы, которые откладываются вокруг «черного курильщика», являются отличными катализаторами разных химических реакций, в том числе ведущих к синтезу аминокислот и других клеточных веществ. Более того, в состав многих современных клеточных ферментов входят неорганические кластеры – наночастицы некоторых минералов. И это именно те минералы, которые образуются в «черных курильщиках»: пирит FeS₂, макинавит (Fe, Ni) S, грейгит Fe₅NiS₈, виоларит FeNi₂S₄. В-третьих, в «черных курильщиках» и других геотермальных источниках существуют устойчивые мощные градиенты температуры и химического состава, т. е. неравновесные условия, которые, как мы помним из прошлой главы, совершенно необходимы для жизни. Хотя современные организмы используют химические градиенты, для первых живых организмов мог быть полезен и устойчивый перепад температур. В условиях перепада температур растворенные крупные молекулы, такие как РНК и белки, могут двигаться от тепла к холоду. Это явление называется «термофорез». Оно объясняется большей энергией частиц в нагретых зонах и, соответственно, их большими импульсами, направляющими частицы из нагретых зон в холодные. Это явление используется для концентрирования РНК и других молекул. Как показали эксперименты, в длинных заполненных водой порах в условиях перепада температур может происходить очень сильное концентрирование нуклеотидов, РНК и других растворенных веществ – в миллионы и миллиарды раз».

Ученые предлагают целых две теории о том, какие последовательности химических реакций возле гидротермальных источников могли привести к образованию аминокислот и биополимеров из углекислого газа и продуктов, выделяемых черными курильщиками. В одной из них в этом процессе задействованы сероводород и сульфид железа, в другой – сульфид цинка. Подробнее о них можно прочитать в книге Михаила Никитина.

Образцы строматолитов из формации Исуа и Австралии демонстрировали примеры древних организмов связанных с бактериальными матами. Нынешняя находка с побережья Гудзонова залива позволяет авторам работы предположить, что самые древние формы жизни появились на Земле возле геотермальных источников (следует упомянуть, что еще одним вариантом возможного зарождения жизни оказываются тоже геотермальные источники, но не в океане, а на суше – гейзеры и грязевые котлы).

Доминик Папино полагает, что жизнь не обязательно зародилась только у глубинных океанических термальных источниках, а не на мелководье. «Это не обязательно исключает друг друга, если мы готовы принять тот факт, что жизнь диверсифицировалась очень рано», – говорит он. По мнению ученого, как окисляющие железо бактерии из горячих источников, так и фотосинтезирующие цианобактерии, которые образуют будущие строматолиты, могли эволюционировать от общего более раннего предка.

Однако далеко не все коллеги согласны с тем, что трубчатые структуры из Нуввуагиттука имеют биологическое происхождение. В этом судьба работы Папино, Додда и их коллег не отличается от других работ, где предполагается обнаружение следов жизни в породах возрастом более трех миллиардов лет. Обычно такие геологические образования успевают пережить многочисленные механические и химические изменения из-за высокого давления и температуры в земных недрах, так что любые структуры в них сильно искажаются, поэтому всегда остается повод для сомнений.

Геомикробиолог Курт Конхаузер (Kurt Konhauser) из Университета Альберты признает, что авторы исследования демонстрируют весомый набор доказательств, что эти объекты могли быть созданы живыми существами, но он не видит способа, которым можно окончательно доказать наличие жизни по геологическим образцам возрастом 3,71 миллиарда лет. Признавая подобие гематитовых трубок и нитей структурами, возникающими в процессе деятельности окисляющих железо бактерий, он оставляет возможность иного их происхождения. К тому же он отмечает, что для жизнедеятельности таких бактерий требовался бы кислород, которого, как считается, в тогдашней атмосфере Земли было мало. А значит, до возникновения железобактерий должны были уже появиться фотосинтезирующие бактерии, чтобы обеспечить запас кислорода. Отдельная проблема – транспортировка этого кислорода в океанские глубины. Напротив, цианобактерии, которые образуют бактериальные маты, не потребляют кислород, а выделяют его.

Источники:

1. polit.ru